TWI470818B - Solar battery - Google Patents

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Takashi Hattori
Mieko Matsumura
Ryuta Tsuchiya
Mutsuko Hatano
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Description

太陽能電池
本發明係有關太陽能電池。
太陽能電池元件係對於吸收入射之太陽光，必須具有充分的厚度。但經由構成太陽能電池元件之材料，係有在光吸收所產生的電子及電洞，於移動在相當於元件厚度之距離之間產生有再結合，而產生太陽能電池的輸出電流之損失的課題。特別是在近年所注目之薄膜型太陽能電池材料中，電子或電洞的壽命短，上述之課題而為重要。為了解決此問題，要求光吸收與電流損失降低並存之技術。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特表平9-511102號
作為並存在太陽能電池元件之光吸收與電流損失降低的技術工法，在專利文獻1提案有經由交互層積之pn接合之並聯連接而構成太陽能電池元件之手法。此手法的優點係為即使薄化各p層及n層的膜厚，由增加層積數亦可確保充分之光吸收的點。但在記載於專利文獻1之手法中，擔當光吸收的層則設定成p層及n層，而有必然性地產生少數載體的壽命變短之問題。雖亦有於p層與n層之間插入i層之方式的記載，但其目的係界面的質之提昇，而對於擔當光吸收，未確保充分之膜厚。
本發明之目的係由解決如上述之在光吸收層之少數載體壽命短之問題者，實現電流損失之降低。本發明之前述及其他目的與新的特徵，係可從本說明書的記述及附加圖面了解。
如將在本申請所揭示之發明之中所代表之構成，簡單地進行說明時，如以下。
第1，一種太陽能電池，其特徵為具有：第1之p層，和第1之n層，和設置於第1之p層與第1之n層之間的第1之i層，和第2之p層，和第2之n層，和設置於第2之p層與第2之n層之間的第2之i層，和設置於第1之n層與第2之p層之間的第1之絕緣層，和藉由與第1之p層不同之p層而與第1之p層加以連接，藉由與第2之p層不同之p層而與第2之p層加以連接之第1之貫通電極，和藉由與第1之n層不同之n層而與第1之n層加以連接，藉由與第2之n層不同之n層而與第2之n層加以連接之第2之貫通電極；第1之i層的膜厚係較第1之p層的膜厚及第1之n層的膜厚為厚，而第2之i層的膜厚係較第2之p層的膜厚及第2之n層的膜厚為厚。
第2，一種太陽能電池，其特徵為具有：第1之p層，和第1之n層，和設置於第1之p層與第1之n層之間的第1之i層，和第2之p層，和第2之n層，和設置於第2之p層與第2之n層之間的第2之i層，和設置於第1之n層與第2之p層之間的第1之絕緣層，和貫通第1之p層，第1之n層，第1之i層，第2之p層，第2之n層，第2之i層，及第1之絕緣層之第1之貫通電極，和貫通第1之p層，第1之n層，第1之i層，第2之p層，第2之n層，第2之i層，及第1之絕緣層，與第1之貫通電極費米準位不同之第2之貫通電極；第1之i層的膜厚係較第1之p層的膜厚及第1之n層的膜厚為厚，而第2之i層的膜厚係較第2之p層的膜厚及第2之n層的膜厚為厚。
當根據本發明時，可倂存在太陽能電池元件之光吸收與電流損失降低。
 [實施例1]
圖1係有關本發明之實施例1之太陽能電池元件構造的剖面圖之概略。通常的太陽能電池元件係只具有單一之pn接合或單一之pin接合，但另一方面，本發明之太陽能電池元件係具有層積有複數之pin接合31之構造。在此，作為本發明之太陽能電池元件的特徵，舉出有pin接合31之中i層1的膜厚係為了得到後述之效果，作為較p層11或n層21的膜厚為厚。對於鄰接之pin接合31之間係插入有絕緣膜41。另外，存在有貫通層積此等之pin接合的貫通電極，pin接合31彼此係經由此貫通電極而電性加以並聯連接。對於貫通孔側面部係如圖1所示，形成有貫通各p層11，i層1，n層21而加以設置之貫通孔側面部p層14及貫通孔側面部n層24，隨之，於i層1之周圍形成有鍵型之p層及n層。其結果，經由在i層1之光吸收而產生的電子與電洞，則經由鍵型之p層及n層之生成的內藏電場，相互移動至相反方向。即，電子係從i層1對於n層21，更且貫通孔側面部n層24進行移動，另一方面，電洞係從i層1對於p層11，更且貫通孔側面部p層14進行移動。貫通孔側面部p層14及貫通孔側面部n層24係各與貫通電極加以電性連接。貫通電極係經由與貫通孔側面部p層14接和，或與貫通孔側面部n層24接合而分成二種類，在此係各稱作p層側貫通電極51，n層側貫通電極52。對於太陽能電池元件的表面或背面係設置有電極，此等則與貫通電極加以電性連接。在此，各將與p層側貫通電極51接合之電極稱作p層側電極53，將與n層側貫通電極52接合之電極稱作n層側電極54。對於圖1係顯示p層側電極53，n層側電極54同時配置於太陽能電池元件的背面的例，但同時配置於元件之表面亦可，另外，亦可各將一方配置於表面，而另一方配置於背面。在元件的表面及背面，未存在有電極的範圍係由表面絕緣膜42或背面絕緣膜43所被覆。然而，在圖1中，作為平坦的膜而描繪有所有的層，但施以反射降低或為了封閉光線之目的的紋理化的處理亦可。另外，於表面絕緣膜42上追加反射防止膜亦可。
圖2係從背面而視有關本發明之實施例1之太陽能電池元件構造的圖之概略。p層側電極53及n層側電極54則各形成為梳狀，成為與外部的電極端子之連接部。圖2之A-B線剖面圖則對應於圖1。
接著，說明本發明之太陽能電池元件之動作機構。入射至元件之太陽光係在i層1，p層11，n層21之任一的層所吸收，使電子電洞對產生。此時，如上述，作為i層1之膜厚則較p層11或n層21之膜厚為厚之特徵的結果，由i層1所吸收之光量則成為較由p層11或n層21所吸收的光量為多，隨之，i層1則成為電子電洞對之主要的發生處。所產生的電子與電洞係經由根據pin接合31之內藏電場之飄移運動，及擴散運動，各移動至n層21，p層11。到達至n層21之電子，及到達至p層11之電洞係經由根據貫通孔側面部p層14與貫通孔側面部n層24所生成之內藏電場的飄移運動，及擴散運動，各移動至n層側貫通電極52，p層側貫通電極51。到達至貫通電極之電子與電洞係各移動至n層側電極54及p層側電極53，於外部使輸出電流產生。然而，插入於鄰接之pin接合31彼此之間的絕緣膜41係加上於達成一方之pin接合31中之p層11，和鄰接之pin接合31之n層21的電性絕緣的作用，亦帶來有界面鈍化之效果。表面絕緣膜42及背面絕緣膜43亦同樣地做為鈍化膜而發揮機能。
有關專利文獻1之發明與本發明之最大差異係主要擔當光吸收的層，則在記載於專利文獻1之太陽能電池中，對於p層11及n層21而言，在本發明之太陽能電池中為i層1的點。對於專利文獻1亦記載有並非pn接合而採用pin接合之技術，但其目的係作為pin接合界面的質之提昇，隨之，i層係對於主要擔當光吸收未具有充分之膜厚。對此，本發明之太陽能電池係如上述，i層1之膜厚較p層11或n層21之膜厚為厚之情況作為特徵，隨之，i層1則成為主要擔當光吸收之情況。
說明光吸收由i層，還是由p層或n層產生之不同，對於太陽能電池特性帶來的影響。p層或n層擔當光吸收之情況，在p層產生的電子，及在n層產生之電洞係因同時為少數載體之故而壽命短，其結果，於各到達至n層或p層以前，再結合之機率為高。對此，i層擔當光吸收之情況係產生的電子及電洞的壽命，與少數載體之壽命做比較為非常的長之故，未有再結合，而各到達至n層或p層之機率變高。隨之，此等二方式之不同係對於太陽能電池元件之輸出電流產生影響，i層擔當光吸收之情況則比較於p層或n層擔當光吸收之情況，可得到大的輸出電流。
如在以上所詳述，有關本實施例之太陽能電池，其特徵為具有：第1之p層11，和第1之n層21，和設置於第1之p層與第1之n層之間的第1之i層1，和第2之p層11，和第2之n層21，和設置於第2之p層與第2之n層之間的第2之i層1，和設置於第1之n層和第2之p層之間的第1之絕緣層41，和藉由與第1之p層不同之p層而與第1之p層加以連接，藉由與第2之p層不同之p層而與第2之p層加以連接之第1之貫通電極51，和藉由與第1之n層不同之n層而與第1之n層加以連接，藉由與第2之n層不同之n層而與第2之n層加以連接之第2之貫通電極52；第1之i層的膜厚係較第1之p層的膜厚及第1之n層的膜厚為厚，而第2之i層的膜厚係較第2之p層的膜厚及第2之n層的膜厚為厚。經由具有有關之特徵之時，可得到以下之效果。
首先，第1之貫通電極則經由藉由「與第1之p層不同之p層」而與第1之p層加以連接，藉由「與第2之p層不同之p層」而與第2之p層加以連接之時，於i層1之周圍，可形成上述之鍵型的p層。對於n層亦同樣地，第2之貫通電極則經由藉由「與第1之n層不同之n層」而與第1之n層加以連接，藉由「與第2之n層不同之n層」而與第2之n層加以連接之時，於i層1之周圍，可形成鍵型的n層。
其結果，經由在i層1之光吸收而產生的電子與電洞，則成為可經由鍵型之p層及n層之生成的內藏電場，相互移動至相反方向。
更且，經由第1之i層的膜厚較第1之p層的膜厚及第1之n層的膜厚為厚，而第2之i層的膜厚較第2之p層的膜厚及第2之n層的膜厚為厚之時，比較於p層或n層擔當光吸收之情況，成為可得到大的輸出電流。
在此，作為「與第1之p層不同之p層」「與第2之p層不同之p層」係想定2個構造。具體而言，如圖1，「與第1之p層不同之p層」及「與第2之p層不同之p層」則成為各藉由絕緣層41而獨立之p層14之構造，和如後述之圖4，作為未藉由絕緣層41之p層14而形成為一體之構造。當比較圖1之構造，和後述之圖4之構造時，圖1之構造係因電性絕緣「與第1之p層不同之p層」與「與第2之p層不同之p層」之故，即使於一方的p層存在有缺陷之情況，亦有不會對於另一方之p層帶來影響之優點。本申請發明之技術思想係包含此等2個構造之雙方之構成。
圖3係顯示在本實施例1之太陽能電池元件之製造方法的圖。以下，依據圖3，說明本發明之太陽能電池元件之構成材料及製造方法。
首先，於基板61上，形成從表面絕緣膜42至背面絕緣膜43的膜。基板61之材料並未特別加以限定，例如可採用Si基板，石英基板，玻璃基板等。圖3係基板61為透明，p層側電極53及n層側電極54則同時配置於元件背面側之情況的製造方法之一例。此情況，如圖3(a)所示，於基板61上，係首先形成表面絕緣膜42。製造方法係根據基板61之種類，及電極配置於表面側與背面側哪一方而有所差異。例如，基板61為非透明之情況，在太陽能電池元件之最終的構造中，基板61未於表面側為佳。為此，必須採取於基板61上，從背面絕緣膜43依序形成，或者於基板61上，從表面絕緣膜42依序形成，最後切離基板61之任一方法。然而，對於從圖3(b)至圖3(f)的圖係未顯示基板61。
之後，如圖3(b)所示，以藉由絕緣膜41而複數層層積pin接合31之形式加以形成。形成太陽能電池元件之pin接合31的半導體材料係並無特別加以限定，而例如有Si、CdTe、CuInGaSe、InP、GaAs、Ge等，此等係可得到單結晶，多結晶，微結晶，非晶形等各種構造。此等半導體層之形成係經由CVD法，濺鍍法，磊晶法，蒸鍍法等之成膜法而進行。作為絕緣膜41之材料係如SiO2 ，SiN(氮化矽)等，使用上述半導體材料之化合物亦可，而亦可使用其他之絕緣體。絕緣層41之形成係可經由CVD法，濺鍍法，磊晶法，蒸鍍法等之成膜法而進行，更且，對於上述絕緣體為半導體材料之化合物的情況，係亦可經由上述半導體層之氧化，氮化等而進行。
之後，如圖3(c)所示，形成貫通孔62。貫通孔62之形成係經由雷射，光微影法，蝕刻等之手法進行。p層側電極53與n層側電極54則均配置於元件背面側之情況，貫通孔係必須至少從背面絕緣膜43貫通至表面絕緣膜42正下方之pin接合31，但更且貫通表面絕緣膜42及基板61亦可。經由雷射進行貫通孔62之形成的情況，對於為了不貫通基板61，係有使用作為表面絕緣膜42，具有貫通防止之阻障性的膜之方法。例如，有將表面絕緣膜42作為二層構造，其中各作為與基板61接合的膜而使用SiN(氮化矽)，作為與pin接合31接合的膜而使用SiO2 的方法。在此方法中，SiO2 為熱傳導度低的膜之故，下部所層積之pin接合31則即使經由雷射所加熱，亦抑制對於基板61之熱傳導。另外，形成pin接合31之半導體材料為Si之情況，由將SiO2 作為鈍化膜之情況，可實現較將SiN作為鈍化膜之情況為低之界面準位密度。SiN係達成抑制含於基板61之不純物擴散於pin接合31之作用。由使用此層積構造，可同時實現防止對於基板61之貫通孔形成，和良好的界面鈍化，和基板61中不純物之擴散防止之三點。然而，於貫通孔形成時，呈未產生溝地，貫通孔形成係在真空吸引的空間進行為佳。
之後，如圖3(d)所示，形成p層側貫通電極51，及n層側貫通電極52。貫通電極之形成係經由濺鍍法，蒸鍍法，CVD法等之成膜法，或印刷法而進行。作為貫通電極材料係使用金屬，或為了降低電性阻抗而高濃度地添加不純物之半導體。如後述，為了將貫通孔側面部p層14及貫通孔側面部n層24之形成，經由不純物擴散而進行，p層側貫通電極51與n層側貫通電極52係必須各含有成為受體，施體之元素。另外，貫通電極為金屬之情況，p層側貫通電極51之材料的工作函數則具有較n層側貫通電極52之材料的工作函數為小的值為佳，而貫通電極為半導體之情況，各作為p層側貫通電極51使用p型半導體，而作為n層側貫通電極52使用n型半導體為佳。由此，由在i層1之光吸收而產生，之後到達至n層21的電子，及到達至p層11之電洞，可使各飄移運動於n層側貫通電極52，及p層側貫通電極51之內藏電場增大。
之後，進行電極燒成之熱處理，由此同時，或接著由加上熱處理，將含於貫通電極之受體及施體，經由擴散於pin接合31之時，如圖3(e)所示，形成貫通孔側面部p層14及貫通孔側面部n層24。
然而，在本實施例1中，將貫通電極，較貫通孔側面部p層及貫通孔側面部n層為先形成，但於貫通電極之形成前，經由離子注入，氣相擴散法，固相擴散層等之不純物擴散法，形成貫通孔側面部p層及貫通孔側面部n層，之後，形成貫通電極亦可。此情況係無需於貫通電極之材料含有受體或施體。
電極係於貫通電極之形成時，同時形成，或者如圖3(f)所示，於貫通電極形成後，另外形成。作為電極材料，電性阻抗低之金屬為佳。p層側電極53之材料與n層側電極54之材料係可為同種或異種。電極之形成係一般以印刷法進行，但亦可經由濺鍍法，蒸鍍法，CVD法等之成膜法而進行。電極的寬度係為任意，但對於形成電極於太陽能電池元件的表面之情況，考慮經由電極的遮蔽損失，和電極之電性阻抗，有必要決定最佳的電極寬度。對於形成電極於太陽能電池元件的背面之情況，在未有p層側電極53與n層側電極54接觸而產生短路之虞的範圍內，由盡可能加寬電極寬度，可同時實現電極之電性阻抗減少，和在入射光的元件背面之反射率提昇。延伸於圖2之縱方向的電極，和延伸於圖2之橫方向的電極係電極材料及電極寬度相互不同亦可。
加上於上述工程，適宜追加為了各個膜之結晶性或膜質之改善，或者為了提昇與鄰接膜之界面的質之熱處理，電漿處理等亦可。
[實施例2]
圖4係有關本發明之實施例2之太陽能電池元件構造的剖面圖之概略。此構造之特徵係在實施例1之太陽能電池元件，與不同之pin接合31加以連接之貫通孔側面部p層14及貫通孔側面部n層24則未以絕緣膜41相互加以電性絕緣之情況。
如根據本實施例2，可使貫通孔側面部p層14，和p層側貫通電極51及p層側電極53的接觸面積，及貫通孔側面部n層24，和n層側貫通電極52及n層側電極54的接觸面積，比較於實施例1之情況同時增大，其結果。可降低上述接觸部之接觸阻抗。另外，本實施例2之太陽能電池元件之動作原理係與實施例1相同，經由以在i層1之光吸收產生的電子與電洞相互移動於相反方向之時，產生輸出電流。
對於形成本實施例2之構造，在實施例1之構造的製造過程之中，於貫通電極形成之前，如將貫通孔側面部p層14及貫通孔側面部n層24，經由CVD法，濺鍍法，磊晶法，蒸鍍法等之成膜法而形成即可。
本實施例2之構造係與實施例1之構造做比較時，在實施例1之製造過程中，有著可省去將p層11及n層21之一部分，經由不純物擴散，各作為貫通孔側面部n層24及貫通孔側面部p層14之一部分的工程之優點。一般，對於反轉p型與n型之極性，進行不純物擴散，係有擴散超過原本不純物濃度之濃度的逆極性之不純物。隨之，在本實施例2中，未產生有關p層11與貫通孔側面部n層24之不純物濃度之大小關係，及n層21與貫通孔側面部p層14之不純物濃度之大小關係之限制條件。更且，在本實施例2中，因經由成膜法而形成貫通孔側面部n層24及貫通孔側面部p層14之故，與實施例1做比較，加厚此等膜厚則為容易。其結果，本實施例2之構造係有著可實現貫通孔側面部p層24及n層14，和pin接合中之p層21及n層11所形成之pn接合高之整流性的優點。
[實施例3]
圖5係有關本發明之實施例3之太陽能電池元件構造的剖面圖之概略。此構造之特徵係與實施例1之太陽能電池元件做比較，未有貫通孔側面部p層14及貫通孔側面部n層24，另外，作為貫通電極而使用費米準位不同之金屬或半導體的點。具體而言，各以費米準位之更低之材料而形成貫通孔p型電極15，而以費米準位之更高之材料而形成貫通孔n型電極25。
如根據本實施例3，在實施例1之製造過程之中，可省略對於貫通孔側面部p層14及貫通孔側面部n層24之形成為了做必要之不純物擴散之熱處理。由此，作為pin接合31等，較上述熱處理先形成的層之材料，亦可使用經由熱處理而電性或光學性性質產生劣化之材料。另外，本實施例3之太陽能電池元件之動作原理係與實施例1相同，因貫通孔p型電極15與貫通孔n型電極25之費米準位不同之故，經由以在i層1之光吸收產生的電子與電洞相互移動於相反方向之時，產生輸出電流。
對於形成本實施例3之構造，在實施例1之構造之製造過程中，在貫通電極形成中，作為電極材料而如使用費米準位不同之金屬或半導體，形成貫通孔p型電極15及貫通孔n型電極25即可。有關本實施例3之發明係如前述，有著無需為了形成貫通孔側面部p層14及貫通孔側面部n層24之熱處理的優點。
[實施例4]
圖6係有關本發明之實施例4之太陽能電池元件之構造的概略。此構造之特徵係在實施例1之太陽能電池元件中，將構成層積之pin接合31之半導體材料，並非作為單一物質，而作為具有複數之不同能帶隙之物質。層積順序係呈能帶隙越大之物質越接近太陽光的入射面地設定。層積數與物質種數無需一致。即，由一種類的物質所成的層則複數存在亦可。另外，並非實施例1，對於實施例2及實施例3之太陽能電池元件亦可適用上述變更。
經由上述能帶隙之條件，本實施例4之太陽能電池元件係顯示如以下之光吸收特性。將pin接合31之層積數表記為T，將各層之構成物質的能帶隙(Eg)表記為Eg1、Eg2、…、EgT。如根據上述之層積順序，為Eg1≧Eg2≧…≧EgT。當將光的能量表記為EL時，從元件表面在第1的pin接合32吸收滿足EL≧Eg1之條件的光，從元件表面在第2的pin接合33，未在第1的pin接合32所吸收的光之中，吸收滿足EL≧Eg2之條件的光。第3之後亦為同樣。
如根據本實施例4，可將在太陽能電池元件之寬度廣之波長域的吸收，和熱載體產生之抑制，和輸出電流之不均的降低，所有同時實現。表示此之前，簡單地說明此等三個點。首先，太陽光係包含寬度廣之波長域的光，對於為了太陽能電池之效率提昇，必須有盡可能吸收如此寬度廣之波長域的光之技術。接著為抑制熱載體產生，滿足上述之光吸收條件的光之能量之中，從EL減去Eg之部分係作為過剩的能量而賦予至電子與電洞。如此之載體係為較傳導帶端或者價電子帶端為高能量狀態，稱作熱載體。在太陽能電池元件中，熱載體之具有的過剩之能量係通常，於載體到達至電極以前，作為熱而散逸。此熱係不只為作為電力而無法取出之無用，還加熱構成元件之半導體材料，使其特性惡化。具體而言，作為不純物半導體中之費米準位，在溫度上升而接近真性準位的結果，太陽能電池之輸出電壓係與溫度上升同時而下降。除此之外，根據溫度上升之載體散亂機率之上升等，對於太陽能電池特性帶來之溫度影響為多。隨之，對於為了太陽能電池之特性提昇，如何抑制熱載體之產生的情況為重要。最後，為輸出電流之不均，此係較在太陽能電池元件單體的特性，反而串聯連接元件之模組的特性而為重要。當有各元件之輸出電流不均時，作為模組之輸出電流係相同於其最小值之故，唯不均的部分降低。隨之，太陽能電池元件之輸出電流的不均降低之技術係對於模組效率之提昇而成為必要。
接著，說明經由本實施例4之太陽能電池元件構造，實際上可解決上述之課題情況。為了做此說明，作為比較對象，考量以下的三例。第一例係在本實施例1之太陽能電池元件構造中，所有的pin接合，則以太陽光光譜之中具有相當於比較長波長側之能帶隙之物質所構成之情況。第二例係在本實施例1之太陽能電池元件構造中，所有的pin接合，則以太陽光光譜之中具有相當於比較短波長側之能帶隙之物質所構成之情況。第三例係稱作所謂串聯太陽能電池之構造，串聯連接複數之pn接合或pin接合之太陽能電池元件構造。
首先，進行第一例，和本實施例4之比較。兩者的差係熱載體產生抑制則只能實現在本實施例4的情況的點。此理由係在第一例中，因所有之pin接合之構成物質之能帶隙為比較小，而無法迴避經由含於太陽光之短波長成分的熱載體產生之故。
接著，進行第二例，和本實施例4之比較。兩者的差係寬度廣之波長域的吸收則只能實現在本實施例4的情況的點。此理由係在第二例中，因所有之pin接合之構成物質之能帶隙為比較大，而無法吸收含於太陽光之長波長成分的情況之故。
最後，進行第三例，和本實施例4之比較。兩者的差係輸出電流之不均的降低則只能實現在本實施例4的情況的點。將理由記述於以下。首先，作為共通於第三例與本實施例4的點，層積之pn接合或pin接合之中，在一部分的層之光吸收則因膜厚或膜組成之任一引起，於和設計時不同之情況，有其他的層可補償其光吸收的點。但在第三例中，串聯連接有複數之pn接合或pin接合之故，各個pn接合或pin接合之輸出電流的不均則直接成為太陽能電池元件之全輸出電流之不均。隨之，在第三例中，即使作為補償光吸收之不均，亦無法補償全輸出電流之不均。對此，在本實施例4中，並聯連接有pn接合或pin接合之故，全輸出電流係成為各pin接合之輸出電流的和。因此，因光吸收的不均引起，而即使存在有各pin接合之輸出電流之不均，亦補償全輸出電流之不均。隨之，本實施例4，係與上述之比較對象三例不同，可將在寬度廣波長域之吸收，和熱載體產生之抑制，和輸出電流之不均的降低，所有同時實現。
對於形成本實施例4之構造，在實施例1之構造的製造過程之中，於pin接合31之形成時，如上述如適宜形成能帶隙不同的層即可。作為能帶隙不同的物質，元素組成不同的物質，組成係相同，但結晶狀態不同之物質，組成、結晶狀態均相同，但可使用經由在實施例5所述之量子封閉效果而能帶隙產生變化之物質等。
[實施例5]
圖7係顯示在本實施例5之太陽能電池之構造的圖。此構造的特徵係將在實施例3之太陽能電池元件的光吸收層，取代作為單一之i層1，而作為呈含有以絕緣膜44夾持i層1之上下的三層層積構造。上述絕緣膜44之條件係成為形成對於i層1中之電子與電洞雙方而言之能量障壁的阻障膜。之後，將絕緣膜44記述為阻障膜44。例如，對於i層1由Si所成之情況，作為阻障膜44，可使用SiO2 ，SiN(氮化矽)，SiC(碳化矽)等。此時，經由充分薄化i層1之膜厚之時，其膜之能帶隙則具有與整體物質之能帶隙不同的值，呈產生所謂量子封閉效果地設定情況則為必要。具體而言，產生量子封閉效果之膜厚的基準係作為激子的有效內徑半徑a=(1/me +1/mh )×(εh2 )/(πe2 )程度。在此，me ，mh 係各電子及電洞之有效質量，ε係介電率，h係普朗克常數，e係元電荷。上述的式係以MKSA單位系所表記之構成。另外，量子封閉效果產生的條件係所封閉的膜，即在此除了i層1之膜厚以外，亦依存於阻障膜44之形成之能量障壁的高度及阻障膜44之膜厚。對於求取定量的依存性係必須解水丁格方程式，但對於定性，阻障膜44之形成的能量障壁變越低，另外，阻障膜44之膜厚越減少，越抑制量子封閉效果，能帶隙係有接近整體物質之能帶隙之傾向。隨之，對於為了得到所期望之能帶隙，係阻障膜44之形成之能量障壁的高度及阻障膜44之膜厚之選擇則為重要。一般而言，來自經由量子封閉效果之能帶隙的整體物質之變化係為連續性，膜厚變越小而變越大。利用此，將在層積之pin接合31之i層1之膜厚，經由對於各層作為不同的值，亦可製作實施例4之構造。另外，在本實施例5中，作為發現量子封閉效果之構造，將以絕緣膜夾持薄膜之構造，所謂量子井，舉例加以說明，但本實施例5的內容係對於量子細線或量子點等之封閉次元不同之構造，亦可適用。另外，並非實施例3，對於實施例1及實施例2之太陽能電池元件亦可適用上述變更。
為了明確本實施例5之太陽能電池元件之效果，首先敘述以往技術之課題。期待經由組合根據上述之量子封閉效果而調控能帶隙之物質所成之太陽能電池，和整體物質之太陽能電池，可實現可吸收寬度廣之波長域的光之太陽能電池。但對於發現量子封閉效果係如上述，有必要插入絕緣體之阻障膜44，此等則帶來電性阻抗之增大，作為結果有著太陽能電池之輸出電流大量降低之課題。對於此課題之解決，係有必要薄化電子或電洞通過之阻障膜厚，但根據以下的理由，以往，阻障膜厚降低則為困難。首先，由阻障膜44所封閉之i層1之膜厚係有必要薄化為產生量子封閉效果之程度。因此，將此應用於太陽能電池之情況，為了確保充分之光吸收，將阻障膜44與i層1交互地進行多數層積，加大i層1之膜厚之合計則為一般。但作為多數層積阻障膜44與i層1之結果，電子或電洞通過之阻障膜44之膜厚的合計亦變大，電性阻抗係大幅增大。隨之，在量子封閉效果之太陽能電池應用中，作為並存充分之光吸收的確保，和電性阻抗降低之情況，以往係不可能。
如根據本實施例5，可並存上述之充分之光吸收的確保，和電性阻抗降低。首先，為了確保充分之光吸收，多數層積p層11-光吸收層-n層21的單位構造，加大i層1之膜厚的合計。在此，在實施例1中，pin接合31之處則在本實施例5中，成為含有阻障膜44之構造之故，更一般而言，表記為p層11-光吸收層-n層21。重要之情況係在上述之以往技術中，對於交互層積阻障膜44與i層1，即只多數層積光吸收層而言，在本實施例中，將以p層11及n層21夾持光吸收層之構造作為單位構造，多數層積此單位構造的點。作為此結果，在光吸收層產生的電子與電洞係對於以往技術之情況，可所有通過多數層積之光吸收層而首先到達至p層11及n層21，但如根據本實施例5，電子與電洞係如只通過單位構造中之光吸收層，可到達至p層11及n層21。隨之，如根據本實施例5，電子與電洞通過之阻障膜44之膜厚的合計係相等於含於單位構造中之阻障膜44之膜厚，其結果，可將太陽能電池之輸出電流，比較於以往方式可大幅地增大。然而，在本實施例5中，說明過含於p層11-光吸收層-n層21的單位構造之i層1為一層之情況，但單位構造中之i層1之層數係為任意。層積數越少，可越降低電子與電洞通過之阻障膜44之膜厚之故，電流損失降低效果係變大。
對於形成本實施例5之構造，在實施例3之構造的製造過程之中，如將吸收層之形成，置換為上述之三層層積膜之形成即可。i層1上之阻障膜44的形成係亦可以CVD法，濺鍍法，磊晶法，蒸鍍法等之成膜法而進行，而亦可經由i層1之氧化或氮化等而進行。另外，適宜追加為了上述i層1之結晶性或膜質之改善，或者為了提昇與鄰接膜之界面的質之熱處理，電漿處理等亦可。
[實施例6]
圖8係顯示在本實施例6之太陽能電池之構造的圖。此構造之特徵係在實施例1之太陽能電池元件中，於各pin接合31之p層11及n層21，和鄰接之絕緣膜之間，插入透明導電膜55。作為其透明導電膜55係與上述p層11及n層21之任一做比較，片狀阻抗亦必須為低，在太陽光的波長域之透過率為高為佳，必須呈滿足此等條件地選擇透明導電膜55之膜種與膜厚。另外，並非實施例1，對於實施例2及實施例3之太陽能電池元件亦可適用上述變更。
對於形成本實施例6之構造，係於實施例1之構造的製造過程，如追加透明導電膜55之形成過程即可。上述透明導電膜55之具體例係含有In，Zn，Sn，Ga等之元素的氧化物及此等複合氧化物，對於此等加上氟素等之添加物亦可。成膜係經由濺鍍法，CVD法，塗佈法，印刷法等而進行。然而，為了使上述透明導電膜55與p層11及n層21之界面的質提昇，於此等之間更插入另外的膜亦可。另外，適宜追加為了上述透明導電膜55之結晶性或膜質之改善，或者為了提昇與鄰接膜之界面的質之熱處理，電漿處理等亦可。
上述透明導電膜55之材料係許多情況，由與構成pin接合31之半導體材料不同之元素所成，對於此情況，作為貫通孔側面部p層14及貫通孔側面部n層21的形成方法，無法如實施例1，使用不純物擴散法。隨之，對於生成為了使透明導電膜55中的電子與電洞相互移動於相反方向之內藏電場，係有必要採取如實施例2，以成膜法形成貫通孔側面部p層14與貫通孔側面部n層24，或如實施例3，形成貫通孔p型電極15與貫通孔n型電極25，或在實施例1中，只經由貫通電極之金屬材料的工作函數的差而生成內藏電場之任一方法。
如根據本實施例6，可降低實施例1之太陽能電池元件之串聯阻抗成分。此理由係以光吸收產生的電子及電洞則在實施例1中，對於必須將pin接合31之p層11及n層21移動至面內方向之情況而言，在本實施例6中，可將較p層11及n層21片狀阻抗低之透明導電膜55中移動至面內之故。
[實施例7]
圖9係顯示在本實施例7之太陽能電池之構造的圖。此構造係將本發明之實施例1的太陽能電池元件，和以往型太陽能電池元件63，即只由單一之pn接合或pin接合所成之元件串聯連接之串聯構造。在圖9中，於以往型太陽能電池元件63之背面側形成有p側電極，於表面側形成有n層，連接此n層，和本發明之太陽能電池元件之p層側貫通電極51，本發明之太陽能電池元件之n層側貫通電極52係與元件表面之n層側電極54加以連接。亦可為反轉此等p層與n層之構造。另外，並非實施例1，使用實施例2至實施例6之任一的太陽能電池元件。於以往型太陽能電池63與本發明之太陽能電池之連接部形成隧道接合二極體亦可。在以下中，將以往型太陽能電池63之表面絕緣膜，和本發明之太陽能電池之背面絕緣膜43作為同一膜而加以說明，但此等係相互不同亦可。
在本實施例7之太陽能電池之以往型太陽能電池63，和本發明之太陽能電池元件之層積的順序係與一般的串聯太陽能電池同樣地，將以較能帶隙為大之半導體材料所構成之太陽能電池，作為太陽光的入射面側為佳。另外，本發明之太陽能電池係從對於成為載體壽命短之問題的半導體材料之適用而言，特別有效果之情況，在本實施例7之串聯太陽能電池，對於由較載體壽命短之半導體材料所成之太陽能電池而言，適用本發明之太陽能電池元件構造為佳。
如根據本實施例7，串聯太陽能電池之高效率化則成為可能。特別是對於組合載體壽命大不同之半導體材料所成之太陽能電池彼此之串聯太陽能電池的情況，高效率化之效果為大。關於此點，敘述以往技術之課題。在串聯太陽能電池中，因串聯連接複數之太陽能電池元件之故，必須將流動在此等元件之電流值作為一致。因此，將輸出電流不同之複數的元件作為串聯化時，此等輸出電流之最小值則成為全體之輸出電流。隨之，以往係輸出電流不同之元件彼此的串聯太陽能電池則比較於其中較輸出電流為大之元件單體，效率低之情況為多。另一方面，在本實施例7之串聯太陽能電池中，對於輸出電流小的太陽能電池元件而言，由適用本發明之太陽能電池元件構造者，可使輸出電流提升。其結果，可使串聯太陽能電池全體的輸出電流，比較於以往之串聯太陽能電池而提升之故，可實現高效率之串聯太陽能電池。
對於形成本實施例7之構造，係有先形成以往型太陽能電池63之方法，和先形成本發明之太陽能電池之方法。
首先，先形成以往型太陽能電池63之方法，之後，隨著實施例1所示之方法，對於形成本發明之太陽能電池之方法加以敘述。此時，如圖9所示，p層側貫通電極51係呈從本發明之太陽能電池之表面絕緣膜42之下端，貫通至背面絕緣膜43之下端，n層側貫通電極52係呈從本發明之太陽能電池之表面絕緣膜42之上端，貫通至背面絕緣膜43之上端地加以設定。作為p層側貫通電極51之形成方法係例如，使用將貫通孔形成至背面絕緣膜43之上端，將p層側貫通電極51之材料埋入於貫通孔內之後，經由以超過p層側貫通電極51之材料的熔點的溫度之短時間燒成，電極材料貫通背面絕緣膜43之過程，所謂燒成貫通處理之方法。作為n層側貫通電極52之形成方法，例如有將在實施例1所述，具有耐雷射貫通性之阻障膜，作為背面絕緣膜43而使用之方法。
先形成本發明之太陽能電池之方法係由是否將形成本發明之太陽能電池之基板61作為透明材料，更分為二個方法。使用透明基板之情況係其在最終的太陽能電池元件構造，呈配置於最表面地設定膜的形成順序。此時，電極呈露出於表面地，貫通孔係有必要完全貫通基板61。另一方面，對於作為上述基板61而使用非透明材料之情況，有必要追加切離基板61，和形成於其上方之太陽能電池之工程。作為切離之方法係例如為SOI(Silicon On Insulator)晶圓之形成方法之一，可適用精確切割法等。另外，於本發明之太陽能電池上，作為形成以往型太陽能電池63之方法，係有經由CVD法，濺鍍法，磊晶法，蒸鍍法等之成膜法，形成上述以往型太陽能電池63的層之方法，和個別製作以往型太陽能電池63，貼合此等之方法。對於貼合，亦可適用上述之SOI晶圓形成方法。
以上，將經由本發明者所成之發明，依據實施形態已具體做過說明，但本發明並不限定於前述實施例，在不脫離其內容之範圍可做各種變更。
1．．．i層
2．．．具有能帶隙Eg1之半導體物質之i層
3．．．具有能帶隙Eg2之半導體物質之i層
11．．．p層
12．．．具有能帶隙Eg1之半導體物質之p層
13．．．具有能帶隙Eg2之半導體物質之p層
14．．．貫通孔側面部p層
15．．．貫通孔p型電極
16．．．具有能帶隙Eg1之半導體物質所成之太陽能電池元件之貫通孔側面部p層
17．．．具有能帶隙Eg2之半導體物質所成之太陽能電池元件之貫通孔側面部p層
21．．．n層
22．．．具有能帶隙Eg1之半導體物質之n層
23．．．具有能帶隙Eg2之半導體物質之n層
24．．．貫通孔側面部n層
25．．．貫通孔n型電極
26．．．具有能帶隙Eg1之半導體物質所成之太陽能電池元件之貫通孔側面部n層
27．．．具有能帶隙Eg2之半導體物質所成之太陽能電池元件之貫通孔側面部n層
31．．．pin接合
32．．．具有能帶隙Eg1之半導體物質之pin接合
33．．．具有能帶隙Eg2之半導體物質之pin接合
41．．．絕緣膜
42．．．表面絕緣膜
43．．．背面絕緣膜
44．．．阻障膜
51．．．p層側貫通電極
52．．．n層側貫通電極
53．．．p層側電極
54．．．n層側電極
55．．．透明導電膜
61．．．基板
62．．．貫通孔
63．．．以往型太陽能電池元件
[圖1]顯示有關本發明之實施例1之太陽能電池之構成的剖面圖。
[圖2]顯示有關本發明之實施例1之太陽能電池之構成的背面圖。
[圖3(a)]顯示關於本發明之實施例1之太陽能電池之製造方法的第1剖面圖。
[圖3(b)]顯示關於本發明之實施例1之太陽能電池之製造方法的第2剖面圖。
[圖3(c)]顯示關於本發明之實施例1之太陽能電池之製造方法的第3剖面圖。
[圖3(d)]顯示關於本發明之實施例1之太陽能電池之製造方法的第4剖面圖。
[圖3(e)]顯示關於本發明之實施例1之太陽能電池之製造方法的第5剖面圖。
[圖3(f)]顯示關於本發明之實施例1之太陽能電池之製造方法的第6剖面圖。
[圖4]顯示關於本發明之實施例2之太陽能電池之構成的剖面圖。
[圖5]顯示關於本發明之實施例3之太陽能電池之構成的剖面圖。
[圖6]顯示關於本發明之實施例4之太陽能電池之構成的剖面圖。
[圖7]顯示關於本發明之實施例5之太陽能電池之構成的剖面圖。
[圖8]顯示關於本發明之實施例6之太陽能電池之構成的剖面圖。
[圖9]顯示關於本發明之實施例7之太陽能電池之構成的剖面圖。
31．．．pin接合
11．．．p層
1．．．i層
21．．．n層
42．．．表面絕緣膜
14．．．貫通孔側面部p層
51．．．p層側貫通電極
53．．．p層側電極
43．．．背面絕緣膜
54．．．n層側電極
52．．．n層側貫通電極
24．．．貫通孔側面部n層
41．．．絕緣膜

Claims (15)

  1. 一種太陽能電池，其特徵為具有：第1之p層；和第1之n層；和設置於前述第1之p層與前述第1之n層之間的第1之i層；和第2之p層；和第2之n層；和設置於前述第2之p層與前述第2之n層之間的第2之i層；和設置於前述第1之n層與前述第2之p層之間的第1之絕緣層；和藉由與前述第1之p層不同之p層而與前述第1之p層加以連接，藉由與前述第2之p層不同之p層而與前述第2之p層加以連接之第1之貫通電極；和藉由與前述第1之n層不同之n層而與前述第1之n層加以連接，藉由與前述第2之n層不同之n層而與前述第2之n層加以連接之第2之貫通電極；前述第1之i層的膜厚係較前述第1之p層的膜厚及前述第1之n層的膜厚為厚，前述第2之i層的膜厚係較前述第2之p層的膜厚及前述第2之n層的膜厚為厚。
  2. 如申請專利範圍第1項記載之太陽能電池，其中，與前述第1之p層不同之p層係第3之p層，與前述第2之p層不同之p層係第4之p層，與前述第1之n層不同之n層係第3之n層，與前述第2之n層不同之n層係第4之n層，於前述第3之p層與前述第4之p層之間，及前述第3之n層與前述第4之n層之間，設置有前述第1之絕緣層。
  3. 如申請專利範圍第1項記載之太陽能電池，其中，與前述第1之p層不同之p層，和與前述第2之p層不同之p層係同一之p層，與前述第1之n層不同之n層，和與前述第2之n層不同之n層係同一之n層，
  4. 如申請專利範圍第1項記載之太陽能電池，其中，前述第1之貫通電極與前述第2之貫通電極係費米準位則相互不同。
  5. 如申請專利範圍第1項記載之太陽能電池，其中，前述第1之p層與前述第2之p層係能帶隙相互不同，前述第1之i層與前述第2之i層係能帶隙相互不同，前述第1之n層與前述第2之n層係能帶隙相互不同。
  6. 如申請專利範圍第1項記載之太陽能電池，其中，更具有：設置於前述第1之p層與前述第1之i層之間的第2之絕緣層；和設置於前述第1之i層與前述第1之n層之間的第3之絕緣層；和設置於前述第2之p層與前述第2之i層之間的第4之絕緣層；和設置於前述第2之i層與前述第2之n層之間的第5之絕緣層。
  7. 如申請專利範圍第1項記載之太陽能電池，其中，更具有：設置於前述第1之絕緣層與前述第2之p層之間的第1之導電膜；前述第1之導電膜係對於前述第2之p層，前述第2之i層及前述第2之n層所吸收之波長的光之吸收率，則較前述第2之p層，前述第2之i層及前述第2之n層為低。
  8. 如申請專利範圍第1項記載之太陽能電池，其中，更具有：與前述第1之貫通電極或前述第2之貫通電極加以連接之太陽能電池元件；前述太陽能電池元件係具有單一的pn接合或單一的pin接合。
  9. 一種太陽能電池，其特徵為具有：第1之p層；和第1之n層；和設置於前述第1之p層與前述第1之n層之間的第1之i層；和第2之p層；和第2之n層；和設置於前述第2之p層與前述第2之n層之間的第2之i層；和設置於前述第1之n層與前述第2之p層之間的第1之絕緣層；和貫通前述第1之p層，前述第1之n層，前述第1之i層，前述第2之p層，前述第2之n層，前述第2之i層，及前述第1之絕緣層之第1之貫通電極；和貫通前述第1之p層，前述第1之n層，前述第1之i層，前述第2之p層，前述第2之n層，前述第2之i層，及前述第1之絕緣層，與前述第1之貫通電極費米準位不同之第2之貫通電極；前述第1之i層的膜厚係較前述第1之p層的膜厚及前述第1之n層的膜厚為厚，前述第2之i層的膜厚係較前述第2之p層的膜厚及前述第2之n層的膜厚為厚。
  10. 如申請專利範圍第9項記載之太陽能電池，其中，前述第1之貫通電極係藉由第3之p層而與前述第1之p層加以連接，藉由第4之p層而與前述第2之p層加以連接，前述第2之貫通電極係藉由第3之n層而與前述第1之n層加以連接，藉由第4之n層而與前述第2之n層加以連接，於前述第3之p層與前述第4之p層之間，及前述第3之n層與前述第4之n層之間，設置有前述第1之絕緣層。
  11. 如申請專利範圍第9項記載之太陽能電池，其中，前述第1之貫通電極係藉由第3之p層而與前述第1之p層及前述第2之p層加以連接，前述第2之貫通電極係藉由第3之n層而與前述第1之n層及前述第2之n層加以連接。
  12. 如申請專利範圍第9項記載之太陽能電池，其中，前述第1之p層與前述第2之p層係能帶隙相互不同，前述第1之i層與前述第2之i層係能帶隙相互不同，前述第1之n層與前述第2之n層係能帶隙相互不同。
  13. 如申請專利範圍第9項記載之太陽能電池，其中，更具有：設置於前述第1之p層與前述第1之i層之間的第2之絕緣層；設置於前述第1之i層與前述第1之n層之間的第3之絕緣層；設置於前述第2之p層與前述第2之i層之間的第4之絕緣層；和設置於前述第2之i層與前述第2之n層之間的第5之絕緣層。
  14. 如申請專利範圍第9項記載之太陽能電池，其中，更具有：設置於前述第1之絕緣層與前述第2之p層之間的第1之導電膜；前述第1之導電膜係對於前述第2之p層，前述第2之i層及前述第2之n層所吸收之波長的光之吸收率，則較前述第2之p層，前述第2之i層及前述第2之n層為低。
  15. 如申請專利範圍第9項記載之太陽能電池，其中，更具有：與前述第1之貫通電極或前述第2之貫通電極加以連接之太陽能電池元件；前述太陽能電池元件係具有單一的pn接合或單一的pin接合。
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